JP5245369B2 - 膜電極接合体、および、膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられ、周縁部が高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体、および、その膜電極接合体の製造方法に関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両面に、それぞれ触媒電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体が用いられる。

このような燃料電池では、一般に、膜電極接合体の周縁部において、アノードとカソードとの間での水素、および、酸素の回り込みが生じないように、膜電極接合体の周縁部にシール部材が配設される。膜電極接合体の周縁部において、アノードとカソードとの間での燃料ガス、および、酸化剤ガスの回り込みが生じると、水素と酸素とが直接反応して過酸化水素が生成され、ヒドロキシルラジカル等が発生し、これらが膜電極接合体、すなわち、電解質膜や、触媒電極を劣化させるからである。

そこで、従来、周縁部がシール部材によってシールされた膜電極接合体が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。

国際公開第２００６／０７１２３４号パンフレット 米国特許第６，３９９，２３４号明細書

しかし、上記特許文献に記載された技術では、膜電極接合体における触媒電極とシール部材との接着性については、考慮されていなかった。このため、触媒電極とシール部材との接着力が、経時的に低下し、さらに、触媒電極とシール部材とが剥離してしまうことがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、周縁部が高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体において、シール部材の接着力を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池に用いられ、周縁部が第１の高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜の両面における中央領域にそれぞれ接合され、第１のアイオノマを含む触媒電極と、前記電解質膜の両面における前記中央領域以外の領域にそれぞれ接合され、前記第１のアイオノマよりも前記シール部材との接着力が高い第２の高分子材料を含み、前記シール部材が接着される接着層と、を備える膜電極接合体。

適用例１の膜電極接合体では、電解質膜の両面における中央領域に、第１のアイオノマを含む触媒電極がそれぞれ接合され、電解質膜の両面における中央領域以外の領域に、第１のアイオノマよりもシール部材との接着力が高い第２の高分子材料を含み、シール部材が接着される接着層を備える。したがって、周縁部が高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体において、電解質膜のほぼ全面に第１のアイオノマを含む触媒電極を接合する場合と比較して、シール部材の接着力を向上させることができる。なお、本適用例の膜電極接合体において、電解質膜の両面に接合された触媒電極のうちの少なくとも一方の触媒電極の表面に、例えば、カーボンペーパや、カーボンクロス等からなるガス拡散層が接合されるようにしてもよい。

［適用例２］適用例１記載の膜電極接合体であって、前記第１の高分子材料は、エラストマである、膜電極接合体。

適用例２の膜電極接合体では、シール部材を構成する第１の高分子材料として、エラストマ、すなわち、ゴム状の弾性を有する高分子材料を用いるので、本適用例の膜電極接合体をセパレータによって挟持し、燃料電池を構成するときに、セパレータとのシール性を向上させることができる。

なお、膜電極接合体は、燃料電池に適用され、発電時に、例えば、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水にさらされるので、エラストマとしては、耐加水分解性が比較的高いものを選択することが好ましい。このようなエラストマとしては、例えば、ポリジエン系の熱可塑性エラストマが挙げられる。

［適用例３］適用例２記載の膜電極接合体であって、前記第２の高分子材料は、前記第１の高分子材料と同一のエラストマである、膜電極接合体。

適用例２の膜電極接合体では、接着層に含まれる第２の高分子材料が、シール部材を構成する第１の高分子材料と同一のエラストマであるので、接着層とシール部材とを、例えば、ホットプレス接合によって接着する場合に、接着層とシール部材との界面で、エラストマが相互拡散して、接着層とシール部材との接着力を、さらに向上させることができる。

［適用例４］適用例１記載の膜電極接合体であって、前記第１の高分子材料は、プラスチックである、膜電極接合体。

適用例４の膜電極接合体では、シール部材を構成する第１の高分子材料がプラスチックであるので、第１の高分子材料として、エラストマを用いる場合と比較して、膜電極接合体の周縁部の剛性を向上させることができる。

［適用例５］適用例４記載の膜電極接合体であって、前記第２の高分子材料は、前記第１の高分子材料と同一のプラスチックである、膜電極接合体。

適用例５の膜電極接合体では、接着層に含まれる第２の高分子材料が、シール部材を構成する第１の高分子材料と同一のプラスチックであるので、接着層とシール部材とを、例えば、ホットプレス接合によって接着する場合に、接着層とシール部材との界面で、プラスチックが相互拡散して、接着層とシール部材との接着力を、さらに向上させることができる。

［適用例６］適用例１，２，４のいずれかに記載の膜電極接合体であって、前記第２の高分子材料は、前記第１のアイオノマとは異なる第２のアイオノマである、膜電極接合体。

［適用例７］適用例１，２，４のいずれかに記載の膜電極接合体であって、前記第２の高分子材料は、エラストマである、膜電極接合体。

［適用例８］適用例１，２，４のいずれかに記載の膜電極接合体であって、前記第２の高分子材料は、プラスチックである、膜電極接合体。

適用例６ないし８のいずれの膜電極接合体によっても、電解質膜のほぼ全面に第１のアイオノマを含む触媒電極を接合する場合と比較して、シール部材の接着力を向上させることができる。

［適用例９］適用例１ないし８のいずれかに記載の膜電極接合体であって、前記接着層は、さらに、触媒を含む、膜電極接合体。

適用例９の膜電極接合体では、接着層に触媒が含まれるので、膜電極接合体が燃料電池に適用され、たとえ、発電に用いられる燃料ガスとしての水素や酸化剤ガスとしての酸素が接着層中に侵入した場合であっても、接着層に含まれる触媒によって、水素、および、酸素を消費することができる。したがって、膜電極接合体の周縁部における水素および酸素の回り込みによって水素と酸素とが直接反応し、過酸化水素、および、ヒドロキシルラジカルが生成されることを抑制し、電解質膜や、触媒電極の劣化を抑制することができる。

本発明は、上述の膜電極接合体としての構成の他、膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。なお、膜電極接合体の製造方法の発明においても、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．膜電極接合体の構成：
図１は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００を示す説明図である。この膜電極接合体１００は、セパレータによって挟持されることによって、燃料電池を構成するものである。図１（ａ）に、膜電極接合体１００の平面図を示した。また、図１（ｂ）に、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。

図示するように、本実施例の膜電極接合体１００は、その周縁部がシール部材７０によってシールされている。本実施例では、このシール部材７０は、エラストマからなるものとした。そして、本実施例では、エラストマとして、ポリエチレンを用いるものとした。

また、図１（ｂ）に示したように、本実施例の膜電極接合体１００では、電解質膜１０の両面における中央領域Ｒｃに、それぞれ、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０が接合されている。なお、本実施例では、電解質膜１０として、プロトン導電性を有する固体高分子膜を用いるものとしたが、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。

また、電解質膜１０の両面における中央領域Ｒｃ以外の周縁領域Ｒｅには、それぞれ、シール部材７０が接着される接着層４０が接合されている。そして、この接着層４０は、後述するように、シール部材７０と同一のエラストマであるポリエチレンを含んでおり、シール部材７０との接着力が、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０とシール部材７０との接着力よりも高い。アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０は、本発明における触媒電極に相当する。

また、本実施例の膜電極接合体１００では、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０の表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０が接合されている。アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０としては、例えば、カーボンペーパや、カーボンクロスを用いることができる。

Ｂ．膜電極接合体の製造工程：
図２、および、図３は、膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。

図２（ａ）に示したように、触媒インクＡを作製する。この触媒インクＡは、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０を形成するための触媒インクであり、触媒としての白金を担持したカーボンブラック（Ｐｔ／Ｃ）と、粉末状のアイオノマと、水系の溶媒と、を混合することによって作製される。本実施例では、アイオノマとして、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。また、水系の溶媒として、水、および、アルコールを用いるものとした。触媒インクＡに水系の溶媒を用いることによって、有機溶媒による白金（Ｐｔ）の被毒を抑制することができる。Ｐｔ／Ｃと、アイオノマと、溶媒との混合割合等は、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０に要求される特性に応じて、任意に設定可能である。

次に、図２（ｂ）に示したように、触媒インクＡを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法によって塗布して乾燥させる。そして、図２（ｃ）に示したように、アノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０の形状に合わせて切り出す。なお、本実施例では、触媒インクＡを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法によって塗布するものとしたが、他の方法によって塗布するものとしてもよい。

一方、図２（ｄ）に示したように、触媒インクＢを作製する。この触媒インクＢは、先に説明した接着層４０を形成するための触媒インクであり、触媒としての白金を担持したカーボンブラック（Ｐｔ／Ｃ）と、粉末状のエラストマと、溶媒と、を混合することによって作製される。本実施例では、エラストマとして、先に説明したシール部材７０と同一のポリエチレンを用いるものとした。また、溶媒として、アセトンを用いるものとした。アセトンの代わりに、白金（Ｐｔ）を被毒させない他の溶媒を用いるものとしてもよい。Ｐｔ／Ｃと、エラストマと、溶媒との混合割合等は、接着層４０に要求される特性に応じて、任意に設定可能である。

次に、図２（ｅ）に示したように、触媒インクＢを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法によって塗布して乾燥させる。そして、図２（ｆ）に示したように、接着層４０の形状に合わせて切り出す。なお、本実施例では、触媒インクＢを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に、ドクターブレード法によって塗布するものとしたが、他の方法によって塗布するものとしてもよい。

そして、図２（ｇ）に示したように、電解質膜１０の一方の表面における中央領域Ｒｃ、および、周縁領域Ｒｅに、それぞれ、アノード側触媒層２０、および、接着層４０を転写する。また、電解質膜１０の他方の表面における中央領域Ｒｃ、および、周縁領域Ｒｅに、それぞれ、カソード側触媒層３０、および、接着層４０を転写する。

次に、図３に示したように、アノード側触媒層２０の表面に、予め用意されたアノード側ガス拡散層５０、および、膜電極接合体１００の形状に対応したフレーム形状を有するシール部材７０ａを、この順に重ね合わせ、また、カソード側触媒層３０の表面に予め用意されたカソード側ガス拡散層６０、および、シール部材７０ａと同一形状を有するシール部材７０ｂを、この順に重ね合わせる。そして、これらをホットプレス接合によって接合する。このとき、シール部材７０ａ、および、シール部材７０ｂの周縁部は、互いに接合され、シール部材７０となり、膜電極接合体１００の周縁部をシールすることができる。以上の製造工程によって、図１に示した膜電極接合体１００は完成する。

Ｃ．効果：
以上説明した第１実施例の膜電極接合体１００によれば、周縁部がエラストマからなるシール部材７０によってシールされた膜電極接合体において、電解質膜１０の周縁領域Ｒｅに接着層４０が接合されているので、電解質膜１０のほぼ全面にアノード側触媒層２０、および、カソード側触媒層３０を接合する場合と比較して、シール部材７０の接着力を向上させることができる。

また、本実施例では、シール部材７０として、ゴム状の弾性を有するエラストマを用いているので、膜電極接合体１００をセパレータによって挟持し、燃料電池を構成するときに、セパレータとのシール性を向上させることができる。

また、本実施例では、シール部材７０として、耐加水分解性か比較的高いポリジエン系の熱可塑性エラストマであるポリエチレンを用いているので、膜電極接合体１００を燃料電池に適用し、発電時に生成された生成水にさらされた場合の劣化を抑制することができる。

また、本実施例では、シール部材７０として、エラストマであるポリエチレンを用いており、接着層４０にもポリエチレンを用いているので、上述したホットプレス接合時に、シール部材７０（７０ａ，７０ｂ）と接着層４０との界面で、ポリエチレンが相互拡散して、接着層４０とシール部材７０との接着性を向上させることができる。また、シール部材７０を構成するポリエチレンは、ホットプレス接合時に、アノード側ガス拡散層５０や、カソード側ガス拡散層６０の周縁部に含浸するので、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０と、シール部材７０との接着力を向上させることもできる。

また、上記実施例では、触媒であるＰｔ／Ｃ（白金を担持したカーボンブラック）が接着層４０に含まれるので、膜電極接合体１００が燃料電池に適用され、たとえ、発電に用いられる燃料ガスとしての水素や酸化剤ガスとしての酸素が接着層４０中に侵入した場合であっても、接着層４０に含まれる触媒（Ｐｔ／Ｃ）によって、水素、および、酸素を消費することができる。したがって、膜電極接合体１００の周縁部における水素および酸素の回り込みによって水素と酸素とが直接反応し、過酸化水素、および、ヒドロキシルラジカルが生成されることを抑制し、電解質膜１０や、アノード側触媒層２０や、カソード側触媒層３０の劣化を抑制することができる。また、発電中に、ヒドロキシルラジカル等が生成され、拡散現象により接着層４０中に侵入した場合であっても、接着層４０に含まれる触媒によってラジカルを反応させて消失させ、シール部材７０を構成するエラストマの、上記ラジカルによる劣化を抑制することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、膜電極接合体１００において、シール部材７０として、エラストマを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。エラストマの代わりに、プラスチックを用いるようにしてもよい。こうすることによって、膜電極接合体１００の周縁部の剛性を向上させることができる。なお、この場合、上記実施例と同様に、シール部材７０と接着層４０との接着力の観点から、接着層４０には、シール部材７０に含まれるプラスチックと同一のプラスチックを用いるようにすることが好ましい。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極接合体１００において、接着層４０にエラストマが含まれるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明では、一般に、接着層４０に、シール部材７０との接着力が、アノード側触媒層２０や、カソード側触媒層３０との接着力よりも高い高分子材料を含むようにすればよい。したがって、接着層４０に、アノード側触媒層２０や、カソード側触媒層３０に含まれるアイオノマとは異なるアイオノマが含まれるようにしてもよいし、シール部材７０を構成するエラストマとは異なるエラストマが含まれるようにしてもよいし、プラスチックを用いるようにしてもよい。また、接着層４０に、複数種類の高分子材料が含まれるようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、膜電極接合体１００において、接着層４０に、触媒としてのＰｔ／Ｃが含まれるものとしたが、これを省略するようにしてもよい。また、上記実施例では、触媒として、Ｐｔ／Ｃを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。他の触媒を用いるようにしてもよい。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、膜電極接合体１００の製造工程において、触媒インクＡ、および、触媒インクＢを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のシート上に、塗布して乾燥させた後に、電解質膜１０上に転写するものとしたが、本発明は、これに限られない。電解質膜１０上に触媒インクＡ、および、触媒インクＢを、塗布して乾燥させるものとしてもよい。この場合の塗布の手法は、印刷等、周知の種々の技術を適用可能である。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、膜電極接合体１００の製造工程において、アノード側ガス拡散層５０と、カソード側ガス拡散層６０と、シール部材７０ａ，７０ｂを同時にホットプレス接合するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０をホットプレス接合した後に、シール部材７０ａ，７０ｂを、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０のホットプレス接合の条件とは異なる条件で、ホットプレス接合するようにしてもよい。こうすることによって、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０のホットプレス接合の条件と、シール部材７０のホットプレス接合の条件とを、柔軟、かつ、適切に設定するようにすることができる。

Ｄ６．変形例６：
上記実施例では、膜電極接合体１００は、アノード側ガス拡散層５０、および、カソード側ガス拡散層６０を備えるものとしたが、これらを省略するようにしてもよい。

本発明の一実施例としての膜電極接合体１００を示す説明図である。 膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。 膜電極接合体１００の製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１００…膜電極接合体
１０…電解質膜
２０…アノード側触媒層
３０…カソード側触媒層
４０…接着層
５０…アノード側ガス拡散層
６０…カソード側ガス拡散層
７０，７０ａ，７０ｂ…シール部材
Ｒｃ…中央領域
Ｒｅ…周縁領域

Claims (5)

1. 燃料電池に用いられ、周縁部が第１の高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の両面における中央領域にそれぞれ接合され、第１のアイオノマを含む触媒電極と、
   前記電解質膜の両面における前記中央領域以外の領域にそれぞれ接合され、前記第１のアイオノマよりも前記シール部材との接着力が高い第２の高分子材料を含み、前記シール部材が接着される接着層と、
   を備え、
   前記第２の高分子材料は、前記第１のアイオノマとは異なる第２のアイオノマである、膜電極接合体。
2. 請求項１記載の膜電極接合体であって、
   前記第１の高分子材料は、エラストマである、膜電極接合体。
3. 請求項１記載の膜電極接合体であって、
   前記第１の高分子材料は、プラスチックである、膜電極接合体。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の膜電極接合体であって、
   前記接着層は、さらに、触媒を含む、膜電極接合体。
5. 燃料電池に用いられ、周縁部が第１の高分子材料からなるシール部材によってシールされた膜電極接合体の製造方法であって、
   電解質膜の両面における中央領域に、第１のアイオノマを含む触媒電極をそれぞれ接合する触媒電極接合工程と、
   前記電解質膜の両面における前記中央領域以外の領域に、前記第１のアイオノマよりも前記シール部材との接着力が高い第２の高分子材料を含み、前記シール部材が接着される接着層をそれぞれ接合する接着層接合工程と、
   前記接着層、および、前記電解質膜の周縁部に前記シール部材を接着するシール部材接着工程と、
   を備え、
   前記第２の高分子材料は、前記第１のアイオノマとは異なる第２のアイオノマである、膜電極接合体の製造方法。

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